نسخة الفيديو النصية
تلعب الطاقة دورًا مهمًا للغاية في الكيمياء. نعلم أن الأشياء تحتوي على طاقة، ولكن كيف يمكننا قياس هذه الطاقة؟ في هذا الفيديو، سنتعلم كيف نقيس التغيرات في الطاقة عن طريق إجراء تجارب المسعرية الحرارية. فسنتعلم كيفية إعداد هذه التجارب وكيفية استخدام نتائجها لحساب التغير في الإنثالبي في التفاعلات الكيميائية.
معظم التفاعلات الكيميائية تصدر طاقة أو تكتسبها خلال التفاعل. فتصدر الطاقة عند تكوين الروابط الكيميائية، وتمتص عند كسر هذه الروابط. خارج فصل الكيمياء، يمكننا معرفة المسافة التي يمكن للسيارة قطعها عن طريق التعرف على كمية الطاقة التي نحصل عليها من احتراق الوقود. وكمية الطاقة الموجودة في الطعام الذي نأكله تكون مطبوعة على ملصقات القيمة الغذائية. في جميع هذه الحالات، يمكننا استخدام نتائج تجارب المسعرية الحرارية في قياس الطاقة.
وتحريًا للدقة، لا يمكننا فعليًا قياس كمية الطاقة الموجودة في شيء ما، لكن يمكننا قياس التغير في الطاقة نتيجة لعملية ما، الأمر الذي يمكننا تحقيقه عادة عن طريق تحديد كمية الحرارة التي تتدفق إلى نظام ما أو منه. لنفترض أننا نريد أن نعرف كمية الطاقة التي سيكتسبها الجسم من تناول طبق من البطاطس المقلية. لا توجد طريقة يمكننا بها وضع مجس في البطاطس المقلية لنعرف كمية الطاقة التي سنحصل عليها. لكن ما يمكننا فعله هو تحديد كمية الطاقة التي تنبعث من البطاطس المقلية نتيجة لعملية هضمها بالكامل.
ما يمكننا فعله إذن هو إشعال النار في البطاطس المقلية وتركها تحترق. فترك البطاطس المقلية تحترق سيصدر كمية معينة من الحرارة إلى البيئة المحيطة، ويمكننا قياس هذه الكمية من الحرارة. وبعد ذلك، بمجرد أن نعرف كمية الحرارة، يمكننا إيجاد كمية الطاقة التي كانت بالتأكيد في البطاطس المقلية.
لقياس مثل هذا التغير في الطاقة، علينا تحقيق أمرين. أولًا، سنحتاج إلى طريقة للتحكم في البيئة المحيطة بدقة. ففي نهاية المطاف، نحن علماء، ونريد أن تكون نتائجنا دقيقة. إذا أحرقنا البطاطس المقلية في مكان مفتوح، فلن نتأكد مطلقًا من كمية الحرارة المنبعثة إلى البيئة المحيطة بالضبط. ثانيًا، من الأسهل بالنسبة لنا أن نقيس كميات مثل كتلة الجسم أو درجة حرارته أو حجمه أو ضغطه أو ما يشابهها من خواص. نحتاج إذن إلى طريقة لتعيين الحرارة باستخدام خواص يسهل قياسها. لنتناول الأمر الثاني أولًا.
من واقع التجربة، نعلم أن الحرارة مرتبطة بالتغيرات في درجة الحرارة. على سبيل المثال، عند نزع الحرارة من شيء ما، تنخفض درجة الحرارة. وعند إضافة الحرارة إلى شيء ما، تزيد درجة الحرارة. ولكن يبدو أن الحرارة ترتبط أيضًا بنوع المادة التي نتحدث عنها. ففي أحد الأيام الحارة من الممكن أن تكون درجة حرارة حمام السباحة مريحة للغاية، لكن قد تكون درجة حرارة مقعد معدني مرتفعة بما لا يسمح بالجلوس عليه. هذا لأن الأجسام المختلفة تتباين من حيث سعتها الحرارية، وهي كمية الحرارة اللازمة لتغيير درجة حرارة جرام واحد من المادة بمقدار درجة سلزية واحدة.
أمامنا هنا السعات الحرارية النوعية لبعض المواد الشائعة. بالنظر إلى القائمة، سنرى أن المعادن الموجودة في هذه القائمة، أي الصلب والنحاس، لها سعة حرارية منخفضة نسبيًا، في حين أن الماء، على النقيض، له سعة حرارية مرتفعة. وهذا يفسر لماذا يمكن أن تكون درجة حرارة الماء مريحة في أحد الأيام الحارة، بينما لا يكون المقعد المعدني مناسبًا للجلوس. فتغيير درجة حرارة الماء يتطلب طاقة أكثر مما يتطلبه تغيير درجة حرارة المعدن.
بالنظر إلى هذه الصيغة المتعلقة بالسعة الحرارية النوعية، سنلاحظ أنه يمكننا إعادة ترتيبها بسهولة لإيجاد كمية الحرارة عن طريق ضرب طرفيها في الكتلة والتغير في درجة الحرارة. وهذه هي الصيغة التي سنستخدمها في تجارب المسعرية الحرارية لحساب كمية الحرارة التي انتقلت إلى البيئة المحيطة نتيجة تجربة المسعرية الحرارية. تخبرنا هذه المعادلة بأننا إذا قسنا التغير في درجة الحرارة نتيجة العملية وقسنا كتلة المادة قبل التجربة، وما دمنا نعرف سعتها الحرارية النوعية التي يمكننا معرفتها بسهولة من المراجع، فسنتمكن من تحديد كمية الحرارة المنبعثة نتيجة لهذه العملية.
في هذه الحالة، تعبر القيم الموجبة عن اكتساب الحرارة، وتعبر القيم السالبة عن فقد الحرارة. لدينا الآن هذه المعادلة التي تخبرنا بأنه يمكننا حساب مقدار الحرارة الممتصة أو المنبعثة نتيجة لعملية ما عن طريق قياس التغير في درجة الحرارة. ونحتاج الآن إلى تجهيز التجربة على نحو يتيح لنا فعل ذلك. هناك نوعان أساسيان من التجهيزات لإجراء تجارب المسعرية الحرارية. وكلا النوعين نجريه في معدات نطلق عليها المسعرات الحرارية. فنجري أحدهما مع تثبيث الضغط، في حين نجري النوع الآخر مع تثبيت الحجم.
لنركز أولًا على المسعرات الحرارية ذات الضغط الثابت التي تسمى عادة المسعرات البسيطة. أول شيء نحتاج إليه هو وعاء يتميز بجودة العزل الحراري، لأننا لا نريد أن تتسرب معظم الحرارة إلى البيئة المحيطة. بل نريد أن تظل معظم الحرارة محصورة داخل الوعاء الذي يحدث به التفاعل. ومع أن هناك خيارات أفضل للأوعية العازلة، يمكن لكوب من مادة الستايروفوم أن يؤدي الغرض. فهو يمتاز بعزل جيد جدًا، كما أنه سهل الاستخدام. يمكننا أيضًا تحسين خصائص العزل لكوب الستايروفوم عن طريق وضع كوب داخل كوب آخر.
وبما أنه يمكن إجراء هذه التجربة باستخدام كوب من الستايروفوم، فستجد هذا المسعر يسمى في أغلب الأحيان مسعر كوب القهوة. بعد ذلك، يملأ الوعاء بالماء ويغطى بغطاء عازل يحتوي على فتحتين تسمحان بمرور ترمومتر وأداة تقليب عبره. لإجراء التجربة، نضع العينة داخل الوعاء ونقلبها باستخدام أداة التقليب لنوزع الحرارة بالتساوي في الماء. ثم نقيس مقدار التغير في درجة الحرارة.
بما أن العينة تكون مغمورة في الماء في هذا النوع من تجارب المسعرية الحرارية، يكون هذا النوع من الإعدادات مفيدًا بشكل خاص في قياس التغير في الطاقة المرتبط بتفاعل مائي، أو الطاقة المتضمنة في إذابة الأملاح أو مواد أخرى. كما يمكننا استخدامها في تحديد السعة الحرارية النوعية للمادة عن طريق تسخينها أولًا، ثم وضعها في الوعاء، وحساب التغير في درجة الحرارة بينما تبرد.
لا شك في أننا نضع بعض الافتراضات عندما نجري هذه التجربة. فنحن نفترض أن درجة الحرارة العظمى التي سنقرؤها تعبر بدقة عن كمية الحرارة الناتجة عن العملية. كما نفترض عدم خروج أي حرارة من داخل المسعر. ونفترض أيضًا أن المسعر نفسه لا يمتص أي حرارة. لكن ما من شك في أن الترمومتر، وأداة التقليب، والغطاء، والوعاء نفسه، كلها تمتص كمية ما من الحرارة. تعني جميع هذه الافتراضات معًا أن كمية الطاقة التي سنحسبها نتيجة لتجربة المسعرية الحرارية ستكون أقل من الطاقة الفعلية الناتجة عن أي عملية.
والآن لننتقل إلى المسعر الحراري ذي الحجم الثابت أو مسعر الاحتراق. مثلما يوحي الاسم، نشعل النار في المواد في هذا النوع من تجارب المسعرية الحرارية. لذا يكون هذا النوع من المسعرات مفيدًا في تفاعلات الاحتراق عندما نحرق مواد مثل الوقود. كما أن هذا المسعر هو الاختيار المناسب لإجراء التجربة التي تحدثنا عنها في بداية الفيديو على البطاطس المقلية.
في هذا النوع من المسعرات، يكون لدينا أيضًا وعاء عزل مملوء بالماء مزود بغطاء يحتوي على ترمومتر وأداة تقليب. لكن هذه المرة، بما أننا نحرق العينة، لن نضع العينة في الماء. وإنما يكون لدينا حوض توضع به العينة ويحتوي أيضًا على غاز الأكسجين، لأن غاز الأكسجين ضروري لإجراء تفاعلات الاحتراق. وبما أننا سنحرق العينة داخل حوض العينة، يشار إلى هذا الحوض عادة بالقنبلة أو خلية القنبلة، ويسمى هذا المسعر عادة بمسعر القنبلة.
وأخيرًا، نحتاج إلى طريقة لإحراق العينة، وهي ما تكون عادة باستعمال الكهرباء عن طريق صندوق إشعال يطلق شحنة كهربائية عن بعد إلى داخل خلية القنبلة. لإجراء هذه التجربة، سنشعل العينة باستخدام صندوق الإشعال، وسيؤدي تفاعل الاحتراق الناتج إلى انتقال الحرارة إلى الماء. وبالطبع، علينا تحريك أداة التقليب طوال فترة التجربة للتأكد من انتقال هذه الحرارة إلى الماء بالتساوي، ثم قياس التغير في درجة الحرارة.
مرة أخرى، نفترض هنا أن درجة الحرارة العظمى تعكس كمية الحرارة الناتجة، وأنه لا توجد حرارة تخرج من داخل المسعر إلى البيئة المحيطة. لكن بخلاف المسعر الثابت الضغط، في تجارب المسعرية الحرارية الثابتة الحجم، نعرف بوجه عام السعة الحرارية النوعية للمسعر. ويمكننا تضمين كمية الحرارة التي يمتصها المسعر في حساباتنا.
والآن بعد أن تعلمنا كيفية إعداد تجارب المسعرية الحرارية وإجرائها، فلنتدبر أخيرًا كيفية حساب التغير في الطاقة الناتج عن تفاعل كيميائي باستخدام نتائج تجارب المسعرية الحرارية. أول ما سنفعله هو استخدام التغير في درجة الحرارة الذي سجلناه في التجربة، وكتلة الماء الموجود داخل المسعر لحساب كمية الحرارة التي امتصها الماء. ستساوي كمية الحرارة التي امتصها الماء كمية الحرارة التي أطلقها التفاعل ولكن بإشارة معكوسة، لأنه إذا امتص الماء كمية معينة من الحرارة، فهذا يعني أن النظام فقد هذه الكمية من الحرارة. والعكس بالعكس، إذا اكتسب النظام كمية معينة من الحرارة، فهذا يعني أن الماء فقد كمية الحرارة نفسها.
لن تكون متابعة الإشارات مهمة للغاية إذا كنا مهتمين فقط بحساب كمية الحرارة التي أطلقها التفاعل؛ إذ يمكننا عادة الاكتفاء بكتابة مقدار الحرارة. لكن إذا كنا مهتمين بالطاقة، فسنحتاج إلى متابعة الإشارة، لأن التغير السالب في الإنثالبي يعبر عن تفاعل طارد للحرارة، والتغير الموجب في الإنثالبي يعبر عن تفاعل ماص للحرارة، وفي هذه الحالة ينبغي أن نحرص على عدم الخلط بين الإشارتين.
في تجربة المسعرية الحرارية الثابتة الضغط، يساوي التغير في الإنثالبي الناتج عن التفاعل كمية الحرارة الناتجة عنه. لكن حساب التغير في الطاقة في تجربة المسعرية الحرارية الثابتة الحجم يتطلب معرفة أكبر بقوانين الديناميكا الحرارية، لأن الحرارة الناتجة عن عملية ثابتة الحجم لا تساوي التغير في الإنثالبي، بل التغير في الطاقة الداخلية، وهي طريقة مختلفة للتعبير عن الطاقة التي يحتويها النظام. لكن لحسن الحظ في الكيمياء، نهتم أكثر بكمية الحرارة المنبعثة من التفاعلات المائية وما على شاكلتها. لذا، سنركز في الأساس على نتائج تجارب المسعرية الحرارية الثابتة الضغط؛ حيث تساوي كمية الحرارة الناتجة التغير في الإنثالبي.
والآن لنتدرب قليلًا على استخدام نتائج تجارب المسعرية الحرارية في إجراء العمليات الحسابية.
في إحدى التجارب، وجد أن أحد التفاعلات نتج عنه تغير في درجة حرارة 80 جرامًا من الماء بمقدار 15 درجة سلزية. ما قيمة الطاقة الحرارية المنتقلة في هذا التفاعل بوحدة الجول؟ استخدم القيمة 4.2 جول لكل جرام لكل درجة سلزية للسعة الحرارية النوعية للماء.
التجربة التي يتحدث عنها هذا السؤال هي على الأرجح تجربة مسعرية حرارية. نجري تجارب المسعرية الحرارية باستخدام أجهزة تسمى مسعرات، وعادة ما يكون الهدف منها هو إيجاد التغير في الطاقة المرتبط بالعملية. لإجراء تجربة المسعرية الحرارية، نضع العينة، وهي المواد المتفاعلة في هذه الحالة، داخل المسعر، وسينتج عنها حرارة يمتصها الماء. يمكننا بعد ذلك قياس التغير في درجة حرارة الماء لحساب كمية الحرارة الناتجة عن التفاعل، وهو المطلوب حسابه في هذا السؤال.
يمكننا حساب كمية الحرارة المنتقلة باستخدام نتائج تجارب المسعرية الحرارية من خلال هذه الصيغة التي تخبرنا بأن الحرارة تساوي حاصل ضرب الكتلة في السعة الحرارية النوعية في التغير في درجة الحرارة. ويمكننا حساب كمية الحرارة المنتقلة نتيجة لتفاعل باستخدام مسعر عن طريق حساب التغير في درجة حرارة الماء؛ لأن كمية الحرارة الناتجة عن التفاعل تساوي كمية الحرارة التي يمتصها الماء.
تخبرنا المسألة بأن لدينا 80 جرامًا من الماء، وأن السعة الحرارية النوعية هي 4.2 جول لكل جرام لكل درجة سلزية. كما تخبرنا المسألة بأن التغير في درجة الحرارة يساوي 15 درجة سلزية. سنلاحظ أن الوحدات يلغي بعضها البعض، وتتبقى لدينا وحدة الجول، وهي ما تطلبه منا المسألة. وعند ضرب كل القيم، سنجد أن كمية الحرارة المنتقلة نتيجة لهذا التفاعل تساوي 5040 جول.
عادة يكون هدف تجارب المسعرية الحرارية هو حساب التغير في الطاقة الناتج عن تفاعل. في ظروف الضغط الثابت، يساوي التغير في الطاقة كمية الحرارة التي حسبناها. لكن هذه المسألة لم تعطنا معلومات كافية لتحديد ذلك، لأننا لا نعلم ما إذا كان التغير في درجة الحرارة بالزيادة أم بالنقصان. ومن ثم، قد يساوي التغير في الطاقة 5040 جول أو سالب 5040 جول. لقد أردنا التأكد فقط في ضوء هذا القدر من المعلومات المعطاة. لكن هذا السؤال لم يطلب منا التغير في الإنثالبي، بل طلب منا فقط تحديد كمية الطاقة الحرارية المنتقلة في هذا التفاعل، وهي تساوي 5040 جول.
بذلك نكون قد تعلمنا كل شيء عن تجارب المسعرية الحرارية وكيفية استخدامها لقياس التغير في الطاقة. لنلخص إذن النقاط الأساسية. يمكن استخدام تجارب المسعرية الحرارية لقياس التغير في الطاقة. يوجد نوعان من المسعرات: المسعرات الثابتة الضغط أو المسعرات البسيطة، والمسعرات الثابتة الحجم أو مسعرات الاحتراق. وفي كل منهما، يتسبب التغير في طاقة العينة أو التفاعل في انتقال الحرارة إلى الماء داخل أوعية المسعرات، وهو ما ينتج عنه زيادة في درجة الحرارة يمكننا قياسها باستخدام الترمومتر. ويمكن استخدام هذه الصيغة لربط هذا التغير في درجة الحرارة بكمية معينة من الحرارة.
وفيما يخص تجارب المسعرية الحرارية الثابتة الضغط، يمكننا أن نربط التغير في الإنثالبي بكمية الحرارة المنتقلة. ومع ذلك، تظل الطاقة التي نقيسها في هذه التجارب أقل دائمًا من التغير الفعلي في الطاقة في التفاعلات، لأن البيئة المحيطة ستمتص بعض الحرارة، لكن يمكننا تقليل ذلك إلى أدنى حد ممكن عن طريق تحسين خصائص العزل في المسعرات.
